Die Universität Shenzhen und die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas erzielen neue Fortschritte im Bereich der Perowskit-LEDs

Kürzlich hat ein interdisziplinäres Team unter der Leitung von Assistenzprofessor Huang Pu, Professor He Tingchao und Assistenzprofessorin Li Guijun von der Schule für Physik und Optoelektronik-Ingenieurwesen der Universität Shenzhen einen bedeutenden Durchbruch in der Forschung zu blauem Perowskit-LED erzielt. Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Gitterspannungsmodulation hin zu effizienten blauen Perowskit-Leuchtdioden“ in Science Advances, einer führenden internationalen Zeitschrift im Rahmen von Science, veröffentlicht. Die Universität Shenzhen wird als primäre Institution aufgeführt, wobei Huang Pu, He Tingchao und Li Guijun als korrespondierende Autoren fungieren und der Postdoktorand Liu Baoxing als Erstautor gilt. Diese Forschung treibt die industrielle Anwendung von Perowskit-Blau-LEDs weiter voran.

据悉，该研究首次提出组合钙钛矿中的双极化跃迁通道增强蓝光跃迁的新思想，并通过应变工程实现破纪录的钙钛矿蓝光发射。研究不仅为钙钛矿蓝光LED的产业化应用迈出了重要一步，更为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。

Blaues Licht ist ein unverzichtbarer Bestandteil der drei Grundfarben (Rot/Grün/Blau) in der Natur. Blaulichtmaterialien und ihre Leuchtdioden (LEDs) spielen eine entscheidende Rolle in den Bereichen Halbleiterbeleuchtung und Flachbildschirme. In den letzten Jahren haben Halogenid-Peroxit-Materialien mit hoher Fluoreszenz-Quantenausbeute und hoher Sättigung aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile wie niedriger Kosten und guter Leitfähigkeit breite Anwendungsperspektiven in den Bereichen Halbleiterbeleuchtung und Displays gezeigt und sind eine ideale Wahl für die energieeffiziente Beleuchtung der nächsten Generation. Derzeit ist die externe Quanteneffizienz (EQE) von grünen, roten und nahinfraroten Peroxid-LEDs sehr hoch, hat bereits 20% überschritten und nähert sich der Gerätleistung kommerzieller Quantenpunkte und organischer LEDs. Als letzte wichtige Grundlage für Weißlichtbeleuchtung und Vollfarbdisplays hinken jedoch blaue Peroxid-LEDs in Bezug auf die Effizienz deutlich hinterher.

Entwicklungstrends von roten/grünen/blauen Perowskit-LEDs seit 2014

Um dieses Problem zu lösen, schlug das Forschungsteam erstmals das physikalische Konzept vor, blaue Übergänge durch dual-polare Übergangskanäle in kombinierten Perowskiten zu verstärken. Typischerweise erfordert die Erzielung einer effizienten blauen Lichtemission aus Halbleitern Materialien mit direkter Bandlücke, einer Bandlückenbreite im blauen Lichtspektrum und einer nicht verbotenen Parität der Wellenfunktionen an den Bandkanten. Darüber hinaus weisen aufgrund von Symmetrieunterschieden die Wellenfunktionen der Energiezustände in der Nähe der Leitungs- und Valenzbänder eine Selektivität gegenüber den Polarisationsmoden der absorbierten/emittierten Photonen auf, wie bei anisotropen Halbleitern beobachtet. Daher ist die angemessene Nutzung der Polarisationsselektivität von Elektron-/Loch-Übergängen an den Bandkanten basierend auf den Symmetrieeigenschaften des Materials von erheblicher Bedeutung für die Realisierung der Polarisationsmanipulation und Leistungssteigerung in optoelektronischen Bauteilen.

该研究从半导体发光的电子结构角度出发，到设计增强蓝光跃迁的物理模型，再到基于构效关系的理论+实验双重验证，最后实现器件研发和性能调控，为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。研究所提出的操控极化跃迁通道的物理模型和应变工程策略，不仅可以成功应用于钙钛矿蓝光器件的性能提升，更可以推广到光电、光伏、电子、能源催化等领域的多种材料体系，通过合理调控载流子的跃迁极化特征来实现相关器件的性能调制，或基于此构筑极化依赖的新原理器件原型。

Standardforschungsparadigma Theorie + Experiment, Cartoon-Bild des Übergangskanals von einpolarem zu zweipolarem Zustand

该研究工作得到《Science Advances》的高度评价，获得广东省自然科学基金，国家重点研发计划，深圳市孔雀团队、基础学科布局，粤港澳联合基金等项目的支持。

Kürzlich hat die Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Xiao Zhengguo von der Fakultät für Physik der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas in Zusammenarbeit mit den Gruppen der Professoren Wang Jianpu und Wang Nana von der Nanjing Tech University bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von Perowskit-Filmen und der Untersuchung von lichtemittierenden Bauelementen erzielt.

Perowskit-Materialien haben aufgrund ihrer hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften wichtige Anwendungsperspektiven in Solarzellen, LEDs und Photodetektoren. Die Filmdichte und Mikrostruktur von Perowskit-Filmen spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung optoelektronischer Bauteile.

Durch die Erzeugung von Nanostrukturen auf der Perowskit-Oberfläche erhöhte dieses Forschungsteam die Photonenstreuung an der Oberfläche des Dünnfilms und erreichte einen Durchbruch im Effizienzlimit von Perowskit-LED-Geräten. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in Advanced Materials unter dem Titel "Überwindung der Auskopplungsgrenze von Perowskit-Leuchtdioden mit künstlich erzeugten Nanostrukturen" veröffentlicht.

Perowskit-LEDs bieten Vorteile wie einstellbare Emissionswellenlänge, schmale Halbwertsbreite und einfache Herstellung. Die Geräteeffizienz von Perowskit-LEDs ist jedoch derzeit hauptsächlich durch die Lichtextraktionseffizienz begrenzt. Daher ist die Erhöhung der Lichtextraktionseffizienz von Geräten ein sehr wichtiger Forschungsbereich.

Bei organischen LEDs und Quantenpunkt-LEDs ist in der Regel eine zusätzliche Lichtextraktionsschicht erforderlich, um die Photonenauskopplung zu erhöhen, z. B. durch den Einsatz von Mikrolinsenarrays, biomimetischen Mottenaugen-Nanostrukturen und Kopplungsschichten mit niedrigem Brechungsindex. Diese Methoden machen jedoch den Herstellungsprozess des Bauteils komplexer und erhöhen die Herstellungskosten.

Die Forschungsgruppe von Xiao Zhengguo berichtete über eine Methode, die spontan strukturierte Oberflächen auf Perowskit-Filmen bilden kann, wodurch die Lichtausbeuteeffizienz von Perowskit-LEDs durch verstärkte Photonenstreuung an der Filmoberfläche erhöht wird.

Beim Herstellungsprozess von Dünnschichten ermöglicht die Kontrolle der Verweilzeit des Antisolvants auf der Filmoberfläche die Regulierung des Kristallisationsprozesses von Perowskit und führt so zu einer strukturierten Oberfläche. Bei Filmen mit einer durchschnittlichen Dicke von 1.5 μm kann die Oberflächenrauheit kontinuierlich von 15.3 nm bis 241 nm eingestellt werden, und die Trübung steigt entsprechend von 6 % auf über 90 %.

Dank der erhöhten Photonenstreuung auf der Oberfläche des Dünnschichtfilms hat sich die Lichtausbeute von strukturierten Perowskit-LEDs von 11,7% bei ebenen Perowskit-LEDs auf 26,5% erhöht, und die entsprechende Baueffizienz von Perowskit-LEDs ist ebenfalls signifikant von 10% auf 20,5% gestiegen.

Die oben genannte Arbeit bietet eine neue Methode zur Herstellung von Lichtextraktions-Nanostrukturen in perowskitbasierten optoelektronischen Bauelementen. Perowskitfilme mit Mikro-Nano-Strukturen ähneln der strukturierten Morphologie in kristallinen Silizium-Solarzellen und versprechen, die Lichteinfang-Effizienz und Leistung von Perowskit-Solarzellen zu verbessern.

Abbildung: Schematische Darstellungen der Photonenausbeute von verschiedenen Perowskit-Dünnschichtoberflächen (a). Lichtausbeuteeffizienz (b) und Geräteeffizienz (c) von Perowskit-LEDs, die mit verschiedenen Antilösungsmitteln hergestellt wurden.

Professor Xiao Zhengguo von der Fakultät für Physik der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas sowie Professor Wang Jianpu und Professorin Wang Nana von der Nanjing Tech University sind die entsprechenden Autoren dieser Arbeit. Der Postdoktorand Chen Wenjing, die Masterstudenten Chen Jia und Huang Zongming von der Fakultät für Physik sowie der Doktorand Gu Lianghui von der Nanjing Tech University sind die Erstautoren dieser Arbeit.

Diese Forschung wurde vom Nationalen Naturwissenschaftsfonds Chinas, den Grundforschungsmitteln für zentrale Universitäten sowie dem Energie-Forschungsinstitut des umfassenden nationalen Wissenschaftszentrums Hefei gefördert.

Quelle: Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, Guangxing Tianxia, Universität Shenzhen